（电子科学与技术专业论文）多径信道条件下时跳脉冲无线电信号的设计.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h et h e s i sf i r s ta n a l y z e dt h ei n d o o ru w bm u l t i p a t hc h a n n e lm o d e l ，g a v et h e p a r a m e t e r so fd i s c r e t et i m ec h a n n e lm o d e l u s i n gi e e e8 0 2 ，1 5 3 ac h a n n e lm o d e l ，t h e s i g n a ld e s i g n o ft i m e h o p p i n gi m p u l s e r a d i ow a sd i s c u s s e du n d e rm u l t i p a t h e n v i r o n m e n t s t h ee f f e c t so fv a r i o u si m p u l s ew a v e f o r r r ma n dt i m eh o p p i n g p a r a m e t e r so ns y s t e mp e r f o r m a n c ew e r ea n a l y z e d b a s e do nl o t so fm e a s u r e m e n t s ，i e e e8 0 2 1 5 3 ag r o u pp r o p o s e da l li n d o o ru w b c h a n n e lm o d e lf o re v a l u a t i n gv a r i o u sp r o p o s a l s t h i sm o d e li sc l a i m e dt ob e t t e rm a t c h t h em e a s u r e m e n l s ，h o w e v e r ，i ti sac o n t i n u o u st i m em o d e l ，a n dt h el o g - n o r m a l d i s t r i b u t i o na n dt h es h a d o w i n gf a c t o rr e n d e rt h i sm o d e ll e s st r a c t a b l ef o rt h e o r e t i c a l p e r f o r m a n c ea n a l y s i sa n dq u a n t i f i c a t i o no f t h ec h a n n e l i n d u c e dd i v e r s i t ya n dc o d i n g g a i n s t h ec o n t i n u o u st i m em o d e lw a ss a m p l e d i n t h i st h e s i s ，a n dt h ep a r a m e t e r so f t h ed i s c r e t et i m em o d e lw e r eg i v e n ， t h ep a r a m e t e rd e s i g no ft i m eh o p p i n gi m p u l s er a d i o ( t h i r ) s i g n a l s ，i n c l u d i n gp u l s e w a v e f o r m sa n dt i m eh o p p i n gp a r a m e t e r s ，w a sa n a l y z e db yas e m i a n a l y s i sm e t h o d a n dm o n t ec a r l os i m u l a t i o n t h ei n f l u e n c eo ft h eb a n d w i d t ha n df r a c t i o n a lb a n d w i d t h o fb a s e b a n dp u l s eo nm u l t i - p a t hf a d i n gw a ss i m u l a t e d t h ee f f e c t so ft i m eh o p p i n g p a r a m e t e r so nb e rp e r f o r m a n c eo f as i n g l eu s e rt h - i rs y s t e mu s i n gr a k er e c e i v e r s w e r es t u d i e d g i v e nt h eb i tr a t eo fat h - i rs y s t e m ，t h ed e s i g ng u i d e l i n e so ft i m e h o p p i n gp a r a m e t e r sw e r ep r o p o s e dt oo p t i m i z et h eb e rp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：u w b ，d i s c r e t et i m ee h a o n e lm o d e l ，g a u s s i a np u l s e ，t i m eh o p p i n g p a r a m e t e r s 2 浙江火学碗士学位论文 第一章绪论 本章简单介绍超宽带系统的基本概念。第一节介绍超宽带的历史、超宽带 系统的定义、f c c 频谱限制、超宽带系统的优点和应用。第二一 节介绍超宽带系 统不同的实现方案和标准化进程。最后，介绍一下本文主要讨论的问题和组织 结构。 1 超宽带系统介绍 1 1 超宽带历史 超宽带( u l w a w i d eb a n d w i d t h ，u w b ) 通信的历史渊源，可以追溯到1 9 0 1 年马可尼发明越洋无线电报的时代。现代意义上的超宽带无线通信技术，源自 1 9 6 0 年美国军方对新的军用雷达技术的研究，其研究和应用一直在美国军方的 支持下秘密进行【1 】。2 0 世纪末，超宽带技术才逐渐转向民用。1 9 9 3 年 r a s c h o l t z 的论文 2 提出了时跳脉冲无线电( t i m eh o p p i n gi m p u l s er a d i o ) 的概 念，才揭开了这项技术的神秘面纱。对超宽带技术在无线通信领域的应用引起 了学术界的广泛关注，各个方面的研究也逐渐深入的开展起来【3 ，4 ，5 】。 自1 9 9 8 年起，美国联邦通信委员会( f e d e r mc o m m u n i c a t i o nc o m m i t t e e ，f c c ) 针对超宽带无线设备对原有窄带无线通信系统的干扰及其相互共存的问题开始 广泛征求业界意见，在美国军方和航空界等众多不同意见的情况下，f c c 仍开 放了超宽带技术在短距离无线通信领域的应用许可，这充分说明超宽带技术具 有很大的技术潜力和广阔的应用前景。2 0 0 2 年2 月，美国联邦通信委员会( f c c ) 批准超宽带技术进入民用领域 6 ，从此对超宽带技术的研究，特别是超宽带在 短距离室内通信系统中的应用，成了当前的研究热点。i e e e 专门成立了 8 0 2 1 5 3 a 工作组来制定基于超宽带技术的无线个人区域网( w i r e l e s s p e r s o n a la r e an e t w o r k s ，1 i | p a n ) 的物理层替代标准 7 。另外超宽带技术也被 应用在i e e e8 0 2 1 5 4 a 低速率无线个人区域网中。 为了促进并规范超宽带技术的发展，2 0 0 2 年2 月f c c 发布了超宽带无线设 备的初步规定【6 】并重新定义了超宽带技术。根据f c c 的定义，信号的带宽大于 5 0 0 m h z ，或者其相对带宽大于0 2 都叫做超宽带信号。这里相对带宽的定义为 5 浙江大学硕士学位论文 f b ：立丑：2 立五) | ! h j r l 其中，扫和五分别是信号功率谱的高端和低端频点( 按- - 1 0 d b 计算) ，与传统 的3 d b 带宽的定义不同，如图1 1 所示。对于一般的窄带通信系统，相对带宽 1 一般小于1 。由f c c 的定义可知，超宽带技术没有限定无线通信的具体实现 方式( 信号调制方式、扩频方式、工作频带等) ，任何满足f c c 定义的无线通信 形式 8 ，9 】都属于超宽带技术的范畴。 图1 1 超宽带的定义 超宽带无线通信之所以能引起工业界和学术界的高度重视，是因为它具有 以下的特性和优点。 ( 1 ) 传输速率高、系统容量大 根据s h a n n o n 公式，系统的最大传输速率与系统的带宽成正比。超宽带通信 的带宽至少为5 0 0 删z ，其传输速率可达1 g b p s 以上。传统的无线通信系统因为频 带窄，要实现1 0 0 m b p s 以上的传输速率，必须采用多进制调制等方法，这就对信 噪比提出很高的要求，同时提高了系统的复杂性。u w b 信号的高带宽带来了极大 的系统容量，由于u ? b 无线电信号发射的冲激脉冲占空比极低，系统有很高的增 益和很强的多径分辨力，所以系统容量比其他的无线技术都高。 ( 2 ) 系统相对简单，成本低，功耗低 u w b 系统不需要正弦波调制和上、下变频，也不需要本地振荡器和混频器 等，因此系统的体积小，结构比较简单。此外u w b 的发射功率有严格限制，频带 宽度为1 5 0 0 d t t z 的u w b 系统，其发射功率不得超过一9 5 4 d b m 6 ，1 0 ，所以u w b 系统 的发射功耗和成本也很低。 6 新江大学硕_ 上学位沦土 f b ：垃：2 皿( 11 、 ： h + l 其中，扫车u 分别是信号功率谱的高端和低端频点( 按一1 0 i b 计算) ，与传统 的3 d b 带宽的定义i i i 刊，如图11 所示。对于一般的窄带通信系统，相对带宽 散小于1 。由f c c 的定义可知，超宽带技术没有限定无线通信的具体实现 方式f 信号调制方式、扩频方式、工作频带等) ，任何满足f c c 定义的无线通信 形式【8 ，9 1 都属于超宽带技术的范畴。 图1 1 超宽带的定义 超宽带无线通信之所以能引起工业界和学术界的高度重视，是圳为它具有 以f 的特性和优点。 ( 1 ) 传输速率高、系统容量大 根据s h a n n o n 公式，系统的最大传输速率与系统的带宽成正比。超宽带通信 的带宽至少为5 0 0 m h z ，其传输速率可达1 g b p s 以r 。传统的无线通信系统因为频 带窄，要实现1 0 0 w o p s 以上的传输速率，必须采用多进制调制等力法，这就对信 噪比提出很高的要求，同时提高了系统的复杂性。u w b 信号的高带宽带来了极大 的系统容量，由于u w b 无线电信号发射的冲檄脉冲占空比极低，系统有很高的增 益和很强的多径分辨力，所以系统容量比其他的无线技术都高。 ( 2 ) 系统相对简单，成本低，功耗低 l 用b 系统不需要正弦波调制和l 、f 变频，也不需要术地振荡器和混频器 等，因此系统的体积小，结构比较简单。此外u 髓的发射功率有严格限制，频带 宽度为1 5 0 0 m t t z 的u w b 系统，其发射功率4 i 得超过9 5 4 d b m 6 ，1 0 ，所以u w b 系统 的发射功耗和成本也很低。 的发射功耗和成本也很低。 6 浙江大学硕t 学位论文 ( 3 ) 共享频谱资源 由于u w b 信号的发射功率谱密度很低，信号隐蔽在环境噪声和其他信号之 中，因此可以与其他系统共享使用频谱 1 1 。它的频谱从3 1 g h z 至i j i o 6 g h z ，宽 度高达7 5 g h z ，而且不需划分特定、专有频段。同时在低信噪比下实现可靠传 输，避免了对其他系统的干扰。 ( 4 ) 信号衰减小，穿透能力强 采用基带窄脉冲形式的u w b 信号，具有适当波形的u w b 脉冲具有较强的定向 性，衰减很慢。另外，由于基带窄脉冲中含有较多的低频分量，所以在室内传 播时可顺利地穿过墙壁等一般的障碍物 1 2 。 ( 5 ) 定位精度高、多径分辨率高 超宽带信号的定位精度与其带宽成反比关系，比如脉冲无线电( i r ) 信号脉 冲宽度是亚纳秒级，信号带宽达到几个6 t t z ，因此能实现很高的定位精度，同时 极窄的脉冲信号使得i r 的信号具有很高的多径分辨率，可以使通信系统更充分 的利用多径能量解调数据。 1 3 超宽带的应用及不同的鞭谱曩翻 f c c 允许开发三种类型的民用超宽带系统 6 ，分别是成像系统( 包括穿地成 像、透墙成像、医疗监护成像设备等) ，车载雷达系统和通信测量系统。 u w b 技术的主要功能是定位功能和无线通信。进行高速无线通信( 速率在 l o o m b p s 以上) 时，传输距离较近，一般在1 0 米左右；进行较低速率的无线通信 和定位时，传输距离增长。特别是采用脉冲无线电方式时，具有较强的穿透 性，可以穿透数层墙壁进行通信、定位或成像。与全球定位系统( g p s ) 相比， u w b 技术的定位精度更高，可达到厘米级别的定位。 f c c 针对不同的应用，规定了不同的等效全向辐射功率( e i r p ) 限制，如图 1 2 所示，图1 2 ( a ) 显示了透地雷达、墙内成像和医疗成像设各的发射功率限 制，图1 2 ( b ) 是针对透墙成像和监护设备的，图1 2 ( c ) 是室内通信系统的发射 功率限制，图1 2 ( d ) 是室外u w b 通信的发射功率限制。 7 浙江大学硕士学位论文 ( c ) 图1 2f c c 发射功率谱限制 2 超宽带的实现和标准化进程 ( d ) 由于f c c 的定义只规定了超宽带信号的带宽或相对带宽要求，没有规定超宽 带系统的实现方式，因此任何符合f c c 规定的实现方式都可以称为超宽带系统。 同时，为了全球范围内的互连互通，商用的超宽带通信系统必须符合某个标 准，因此各国都针对超宽带系统的标准化开展了大量工作。 2 1 趣竟带的实现方式 u w b 通信系统的主要实现方式可以分为基带脉冲方式和载波调制方式。前者 是传统的u 明通信方式，后者是f c c 规定了u 仰通信的频谱使用范围和功率限制 后，在超宽带无线通信标准化的过程中提出的。载波调制的u 船通信系统又可分 为单带和多带两种形式。 2 1 1 1 冀冲无线电 脉冲无线电( i m p u l s er a d i o ，i r ) 为u w b 通信的传统方式 2 ，3 ，信息由窄脉 8 随掣j 一 品 i 一 一 f”一囝掣 r一一一一一 一 怎卜盎 一i。i。i倒笋 浙江太学硕士学位论文 冲携带。脉冲的宽度极窄( 一般在皿纳秒级别) ，且占空比相当小( 。般为1 ，甚 至0 1 ) ，因此具有极强的多径分辨能力，使得在室内无线通信环境中，密集多 径信道的分离和处理成为可能。 通常通过脉冲位置调制( p p m ) 、二进制相移键控( b p s k ) 、脉冲幄度调制( p a m ) 等调制方式携带信息。窄脉冲可以采用不同波形，如高斯波形，升余弦波形甚 至多脉冲的形式等。这种方式是本文讨论的重点，在第二章会详细介绍。 2 1 2 单载波方式 采用单载波方式 4 ，1 3 的u w b 通信系统通过载波调制，将信号搬移到合适的 频段进行通信。单载波方案的基本思想是同时使用整个7 5 0 0 e 4 z 可用频带。这里 以m o t o r o l a 公司向i e e e8 0 2 1 5 3 a 任务组提交的单载波d s c o m au w b 方寨为例， 介绍单载波u w b 的通信方式，如图1 r3 所示。该方案有两个可用频段：低频段3 1 5 1 5 g h z 和高频段5 8 2 5 - 1 0 6 g h z ，u w b 信号可以通过对载波的调制，在这两个频 段之一一传输，或在这两个频段同时传输。为了避免与u n i i 频段系统的干扰，两 个频段之间的部分没有利用。 单带载波d s - c d m a 方案是用具有低互相关性的三进制码作为扩频码，码长 是2 4 。系统中采用m 进制的双正交键控( m - b o k ) 以提高数据的速率。发送波形 为平方根升余弦( r r c ) 波形。图l - 3 为单载波d 8 一c d m a 系统发送端的简化框图。 以低频段、1 1 4 m b p s 数据速率为例，表1 1 给出了系统主要参数。 图1 _ 3 单载波d s - c i ) m a 发射机框图 该方案与传统的通信有很多相似之处，同时具有u w b 的特点和优点。多径效 应相关的时延将导致符号间干扰，这一特性是单载波方案需要解决的关键问 题。要克服多径衰落于扰影响，信道所传输的最佳信号形式也应是具有自噪声 统计特性的信号形式，面p n 序列周期愈长，接收端同步所需时间必然加长，因 此在信号设计时应当合理选择。另外，单载波方案传输带宽大，对应接收部分 9 浙江大学硕士学位论文 需要快速转换电路。 表1 111 4 m b p s 速率d s c d m a 方案参数 r p c 带宽 1 3 6 8 g h z 载波频率 4 1 0 4 g h z 码片速率 1 3 6 8 g h z 调制方式 b p s k 扩频码长 2 4 扩频码类型 8 一b o k 符号速率5 7 m b p s信道编码2 3 卷积码 2 1 3 多带载波方式 多带载波方式 9 将可用的频段分为多个子带，每个子带的带宽一般等于或 稍大于5 0 0 m h z ，由多个正交的子载波信号“堆积”成一个u w b 信号。当子载波数 较大时，各子载波幅度谱叠加的总信号幅度谱有很好的矩形特性因此可以充分 利用频谱资源。t i 等公司向8 0 2 1 5 3 a 任务组提交的多带时频交织0 f d m ( j b - t f i o f d m ) 方案是典型的多带载波方式。与传统的o f d m 系统比较，符号长度、予载波 间隔、循环前级长度等具体参数有较大差别。该方案在频谱利用方面有很高的 灵活性，可以自适应根据传输信道的干扰情况，调整各子频带的发射功率或取 消特定子频带的发射，以有效地降低干扰，提高网络性能，还可以通过抑制相 应的子载波，更加精确地控制合成信号的频谱形状。 表1 2 对脉冲无线电，单带载波d s - c d m a 和m b - t f i o f f ) m ：种u w b 方案进行了 比较。可见脉冲无线电的系统复杂度低，定位精度高，具有数据通信与测距定 位双重功能，因此有很广的应用场景，也是当前研究的一个热点。 表1 2 三种u w b 方案的比较 1 0 浙江大学硕士学位论文 2 2 超宽带的标准化进程 2 0 0 2 年2 月f c c 发布的对民用超宽带系统的初步规定 6 ，标志着u w b 技术正 式进入民用领域。此时欧洲、日本、新加坡的有关部门也引对本国或本地区的 情况，着手进行u w b 通信的规范化工作。国际e 删b 通信的标准化工作主要集中 在i e e e8 0 2 1 5 工作组内进行，其中t g 3 a 任务组进行高速w p a n 物理层可选 ( a l t e r n a t i v e ) 标准的研究工作，t g 4 a 任务组进行低速w p a n 物理层可选标准的研 究工作。2 0 0 2 年1 2 月t g 3 a 任务组公开征集可选物理层方案。截至2 0 0 3 年7 月，共 收到来自各个公司、研究机构的2 3 份提案。工作组对各种提案进行讨论合并， 最后形成了以i n t e l 和m o t o r o l a 为首的两大联盟。一是各种多带脉冲方案；f 口t i 的 多带o f d m 方案进行了合并，形成了m b - t f i o f 蹦方案( 9 ，相关公司( i a t e l 、 t i 、s a m s u n g 、p h i l i p s ) 也组成了多带0 f d m 方案联盟( m u l t i b a n d0 f d m a 1 l i a n c e ，m b o a ) 1 4 。另一个是以m o t o r o l a 带头的d s - c d m a 方案 1 3 j ，他们也 成立了u 孵论坛( u w bf o r u m ) t 5 ，并首先于2 0 0 4 年8 月由f r e e s c a l e 公司推出了 商用的u w b 芯片组x s l l 0 。 另外i e e e8 0 2 1 5t g 4 a 也于2 0 0 4 年3 月正式成立，开始进行超宽带技术应用 于低速无线个人区域网( 肝a n ) 低层协议的标准化工作，目标是低速、超低功 率、低成本的通信和高精度测距定位设备 1 6 。 超宽带的研究工作最初主要是在美国进行的，随着f c c 开放了民用u w b 频带后，欧洲，日本以及新加坡也傲了大量的研究工作。我国在u w b 方面的 研究工作起步比较晚。2 0 0 3 年1 0 月，国家无线电监测中心派人参加i t us g i 会议，讨论和研究u w b 电磁兼容等问题。2 0 0 3 年信息产业部下达u w b 系统 电磁兼容分析科学研究项目，由国家无线电监测中心承担，北京邮电大学协 助。与此同时，国内很多大学走在了研究超宽带的前面，北京邮电大学、北京 理工大学、东南大学等研究了u w b 系统的信号产生、r a k e 接收等技术，并获 得不少专利。2 0 0 4 年9 月2 8 号，首届u w b 中国论坛1 1 7 1 在北京召开。2 0 0 5 年1 0 月1 2 号，第二届u w b 中国论坛在香l u 饭店召开。2 0 0 5 年1 1 月1 l 号， 全国超宽带无线通信技术学术会议在南京召开。这一系列会议的召开标志着中 国超宽带研究己形成规模也取得不俗的成绩。 浙江大学硕上学位论文 2 0 0 4 年，由中国超宽带论坛、北京邮电大学、中国科学院与意大利c r e a t e n e t 公司合作向低速率u w bw p a n 标准化小组i e e e 8 0 2 1 5 4 a 提交了一一项联合 提案带节点协作中继的脉冲直接序列超宽带无线网络h 8 。 3 本文的研究工作和内窖安排 虽然i e e e8 0 2 1 5 3 a 工作组推荐的超宽带信道模型与测量数据吻合的比较 好，但是它是一个连续时间模型，对系统仿真和分析带来很大的不便。本文讨 论r 该模型的离散化，提取了离散化信道模型的参数。离散化的信道模型便于 分析超宽带信道的信道容量。 利用超宽带的多径信道模型，本文讨论了脉冲无线电的信号设计，包括脉 冲波形设计和时跳扩频参数设计。在脉冲无线电中，常用的窄脉冲是高斯脉冲 的系列微分。不同的脉冲对系统允许发射的最大功率、系统的抗多径衰落性能 等有很大的影响。本文研究了不同的脉冲对系统的抗多径衰落性能的影响。时 跳扩频参数不仅影响了系统的多址接入性能，而且影响了发射信号的频谱，对 系统在频率选择性信道中的性能有很大的影响。本文讨论 不同的时跳扩频参 数对系统误码率的影响，给出了时跳扩频参数的设计指导。 本文分为以下几个部分：第一章介绍超宽带系统的基本概念包括超宽带的 历史、系统的定义、f c c 频谱限制、超宽带系统的优点和应用以及超宽带系统 的标准化进程。第二章详细讨论了时跳脉冲无线电系统，包括信号的调制方 式、扩频方式以及收发器的模型，为后文的讨论建立完整的理论框架。第三章 详细介绍了i e e e 8 0 2 1 5 3 a 室内多径信道模型，并讨论了该模型的离散化建模， 离散化的信道模型有利于理论上分析u w b 信道的信道容量。第四章分析了高 斯脉冲的微分的阶数( i l o 阶) 对多径衰落的影响。第五章分析了时跳脉冲无线 电系统的误码率性能，得出了误码率b e r 的近似表达式。并在系统的数据率给 定的情况下( 假定为1 0 0 m p s ) ，研究了系统的时跳参数对系统误码率的影响，分 析得出了能够改善系统在多径环境下b e r 性能的时跳参数设计。 1 2 浙江大学硕士学位论文 第二章t i i i r 系统概述 脉冲无线电与传统的载波调制的无线电有很多的不同之处。脉冲无线电4 i 需要正弦载波，而是把信息直接调制在窄脉冲上，这点与数字基带通信系统有 点类似，后文在讨论脉冲无线电的调制方式时，会对脉冲无线电中的调制方式 与传统的数字基带调制方式做一一个比较。窄脉冲的宽度( 般为o 2 n s 一15 n s ) 决 定了发射信号的带宽，不同的脉冲有着不同的频谱。窄脉冲是系统设计中最基 本的一个要素。脉冲无线电常用的调制方式有脉冲幅度调* i i ( p a m ) 、脉冲位置 调制( p p m ) 、脉冲波形调匍i ( p w m ) 以及他们的一些混合模式。还有一些常见的 二进制调制，是上述几种调制方式的特例，比如通断键控( o o k ) 、双极性调制 ( b p m ) 等等。脉冲无线电的多址接入都是采用的码分多址。针对在脉冲无线电 系统中常用的两种扩频方式：时跳扩频( t i m eh o p p i n g ) 和直接序列扩频( d i r e c t s e q u e n c e ) ，不问的用户分配不同的时跳码( t hc o d e ) 或伪随机码( p nc o d e ) 以嘏 互区别。 1 香农公式与u w b 信道容 假设通信系统的带宽为b ，香农公式指出了该系统所能达到的最大数据传 输速率( 信道容量) 与信噪比s n r 之间的关系( 1 9 】。 c = b l 0 9 2 ( 1 + s n r ) ( 2 - 1 ) 图2 1 显示了不同带宽的系统的信道容量，从该图中可以看出，当系统带宽 b 5 0 0 m h z 的时候，系统可以在s n r 4 ) d b 情况下达到5 0 0 m h z 的数据率，也就 意味蓿系统可以工作在信号比噪声还小的情况下。 1 3 浙江大学硕士学位论文 图2 1 不同带宽系统的信道容最 对于u w b 应用与室内通信的情况，按照f c c 频谱限制，在3 1 1 0 6 g h z 的频率范围内，e i r p 必须小于4 1 3 d b m m h z ，如图1 2 ( c ) 所示，则最大的发射 信号功率为 p = 1 0 。4 ”* 7 5 0 0 2 0 5 6 m w 按照文献1 2 0 】中对调制方式的讨论，对于m 元正交调制信号，要求系统达 到一定的错误概率的情况下，归一化数据速率r w 1 。因此m 元正交信号适 合于功率受限的信道，该信道具有足够大的带宽容纳大量的信号。 所以香农公式指出了u w b 系统设计的基本准则，对于u w b 这样1 个功率 受限信道，可以用m 元正交信号去达到该信道的信道容量。 2 调制方式 假设调制的阶数为m ，从二进制信息序列 d 。 中一次取长度k = t o g ：m 个 比特形成分组，对应到m 个确定的能量有限波形 ( f ) ，m = l ，2 ，m 当中的 一个，作为发送信号。 2 1 脉冲度调翻 在脉冲幅度调制中，m 个信号波形可以表示为 o ) = 屯g ( t ) ( m = l ，2 ，m ，0 s t t ) ( 2 - 2 ) 其中， 如，1 冬m 曼m 表示m 个可能的信号幅度，相应于一组k 个比特所 对应的可能的m 个符号。信号幅度九取离散值 1 4 一，_g誊#罾。一2uiuo 浙江大学硕士学位论文 九= ( 2 m 一1 - m ) d ( 2 - 3 ) d 是相邻信号幅度之间的距离。t 为符号周期，p a m 信号的符号速率r = i t ， 比特率为r b = k * r = k t 。波形g ( t ) 是实的窄脉冲，其脉冲宽度l t 。不失一般 性，假设g ( t ) 的能量归一化，即lg2 ( t ) d t = 1 。 m 元p a m 信号具有能量 氏= t ( f 皿= j = t 9 2 ( f 协= a 三 ( 2 4 ) 定义任意一对信号波形【( f ) ，( f ) 1 之间的归1 化互相关系数为 如2 赤啪 尬 ( 2 - 5 ) 则m 元p a m 信号的归一化互相关系数几= 1 。 l0 囊 气卜一 图2 2 脉冲幅度调制 下面讨论一下p a m 调制的二进制特例。 ( 1 ) 通断键控 如果信号幅度氐( m = l ，2 ) 在集合1 0 ，a 中取值，则称为通断键控。 圈2 3 通断键控调制 ( 2 ) 双极性调制 如果信号幅度如( m = 1 ，2 ) 在集合 一a a 中取值，则称为双极性调制。 双极性调制信号具有相等的能量= a 2 ，且归一化互相关系数为一1 。 1 5 塑坚茎兰堡主兰焦笙茎 口口 口 口 2 2 脉冲位i 调制 图2 4 双极性调制 在脉冲位置调制中，m 个信号波形可以表示为 ( f ) = g ( t i 。) ( ，n = 1 ，2 ，m ，0 t t )( 2 - 6 ) 其中，i 。是一组k 个比特所对应的十进制数值，0 i 。曼m 一1 。j 为脉冲位置 调制的延时间隔。一般的，要求f g ( t ) g ( t a ) d t l 。如果f g ( t ) g ( t m a l t = 0 ， 即当a = t c 的时候，称为正交脉冲位置调制。 脉冲位置调制信号具有相等的能量，归一1 化为1 。且信号之间的归一化互 相关系数 口品= ig ( f i m a ) g ( t t 。a ) d t = r ( ( i r a 一，。) )( 2 7 ) 其中，r ( 力= f g ( t ) g ( t r ) d t 为窄脉冲甙t ) 的自相关函数。根据自相关函数 的单调性，不同信号之间的互相关系数最大为户。= 尺( ) 。 特别的，当a = 乙的时候，几= 屯，信号波形之间相互正交，称为正交 脉冲位置调制。 图2 5 脉冲位置调制 上述两种调制方式中，常用的信号波形有高斯脉冲以及它的一阶、二阶微 分形式【2 l 】，文献中常称为g a u s s i a np u l s e ，g a u s s i a nm o n o p u l s e ，g a u s s i a n d o u b l e t 。它们的波形和频谱如下图所示： 1 6 浙江大学硕士学位论文 2 3 脉冲波形调制 图2 6 常用窄脉冲的波形及频谱 在上面两种调制方式中，只采用了一种基本的脉冲波形。如果m 个信号对 应不同的脉冲波形，则 o ) = g ，( f ) ( m = 1 2 ，m ，o t r ) ( 2 8 ) 其中g m ( f ) 是一组归一化正交波形族，即 j g m ( f 硫( f ) 出= 如= 倦三 ( 2 _ 9 ) 脉冲波形调制信号具有相等的能量，归一化为1 。而且信号之间相互正 交，如= 丸。 脉冲波形调制常用的波形是基于h e r m i t e 多项式的波形。h e r m i t e 多项式不 是正交的，但经过正交化处理后，可以得到归一化的正交波形 2 2 1 。 图2 7 正交h e r m i t e 波形 1 7 浙江大学硕j 一学位论文 2 4 与传统的数字调翻方式的比较 在前面讨论调制方式的过程中，本文有意采用r 与1 2 0 i 类似的结构来讨 论，意在强调脉冲无线电中的调制方式与传统的数字基带调制方式的类似性。 很容易看出，脉冲幅度调制与传统的方式几乎一样，脉冲位置调制与传统 的数字基带相位调$ j l t e - 常类似，因此也可以把脉冲位置调制和脉冲幅度调制结 合起来，形成与q a m 类似的调制方式。脉冲波形调制对应于传统的频移键控 调制，信号之间相互正交。 不同点在于脉冲戬t ) 的宽度l r ，定义瓦r 为发送信号的占空比，则传 统的p a m 信号的占空比为1 ，而脉冲无线电的占空比通常为j l 十分之，甚至 几百分之一。对于这么大占空比的信号，可以看作在时域发送的多维正交信号 2 0 】，因此符合了功率受限信道的信号设计要求( 本章第一节的讨论) ，理论卜- 可 以达到很高的数据速率。 3 扩菝方式 扩频方式有跳频扩频、直接序列扩频、时跳扩频三种，前两种比较常见， 应用也比较广泛。时跳( 确m eh o p p i n g ) 扩频是r o b e r ta s c h o l t z 首先应用在脉冲 无线电系统中的【2 1 。脉冲无线电系统中常用的两种扩频方式是时跳扩频和赢接 序列扩频，本文给出了这两种扩频方式的数学表达式，特别的是把扩频和信号 调制分开了，便于分析发送信号的频谱，以及不同的扩频方式和调制方式对信 号频谱的影响。跳频扩频被应用在m b o f d m 方案中。 3 1 时磊扩频 把一个符号周期t 分成n 。个帧，帧周期t f ，一般的有t = n 。0 。在一个帧 周期内，再分成n c 个码片，码片间隔t c ，一般的m t 占帧周期t f 的一部分。 不失一般性，在后面的讨论中假设t = m 【。 一个时跳序列可以表示为 c ( f ) = 8 ( t - i t i g 。( = d t p ( 2 1 0 ) 1 8 浙江大学硕士学位论文 其中 c i 为周期等于c 。，取值在【0 ，n 。) 范围的时跳码，不同的用户分配不 同的码字以相互区分。 时跳码除 r 区分不同的用户之外，还有平滑信号频谱的能力，如图2 8 所 不： 图2 8 时跳序列平滑信号频谱 关于时跳码的构造，不少学者已经做了大量的研究，也提出一些很好的时 跳码 2 3 ，2 4 j 。 3 2 直接序碉扩频 南接序列扩频是一种很成熟的扩频技术，已经在第二代和第三代移动通信 系统中得到应用，相应的扩频码的研究也相当成熟。 在脉冲无线电中，把一个符号周期t 分为n c 个码片，码片间隔t c ，有 t = m t 。则直接序列扩频可以表示为 c ( ) = c ：。】dc 口j ( f f ) ( 2 一1 1 ) i = 0 其中 c i ) 为周期等于c p ，取值 一1 ，+ 1 l 的时跳码，不同的用户分配不同的 码字以相互区分。常用的扩频码有最大长度移位寄存器序列( m 序列) 和g o l d 码 【2 5 】。 4 收发系统艇 以时跳扩频为例，在这一节详细讨论脉冲无线电的收发系统，包括不同的 发送信号及它们的频谱特征，接收机的结构等等，为后面的讨论建立完整的系 统数学模型。 1 9 浙扛大学硕士学位论文 4 1 常见的发送信号举傍 4 1 12 p p m - t h 信号 假设数据调制采用二进制p p m 方式，采用时跳扩频，第k 个用户的时跳码 为c 。，则该用户的发送信号可以表示为 2 6 】 & ( f ) = g ( t n t f 弓一c k 呐m 州。【一) ( 2 1 2 ) 如果m ，n 是满足。= m c 。的最小正整数则周期为c p 的时跳码可以分 为n 个子序列。则发送信号& ( f ) 可以表示为 s j ：( f ) = d ( t k n t n t ) 4 9 。o ) ( 2 1 3 ) d ( f ) = 8 ( t d 。a ) ( 2 - 1 4 ) g ( f ) = g ( t c ( 砒呐“c 口) ( 2 1 5 ) 该信号的功率密度谱函数可以表示为 蹦俨寺t 丢( h 。s ( 细心) n 萎- i 阿) 1 2 + 志专( 1 + c o s ( 撕，) ) 薹薹薹( ( ，瓯( ，矿口小魄训6 ( ，一焉) ( 2 - 1 6 ) 2 p p m t h 信号的功率谱包括两个部分，第一部分是连续谱，由窄脉冲g ( t ) 的频谱和调制参数决定，第二部分是离散谱线，如图2 9 所示： 图2 92 p p m t h 信号的功率密度谱 浙江大学硕士学位论文 4 1 2 b p m t h 信号 假设数据调制采用b p m 方式，采用时跳扩频，第k 个用户的时跳码为 c 。，则该用户的发送信号可以表示为 2 6 】 & ( r ) = d 。g ( t n t i t ：一，) 。t ) ( 2 1 7 ) 与2 p p m 。t h 信号同样的分析，可得到b p m t h 信号的频谱密度函数为 足( 舻而1 。丕l q ( ，) | 2 ( 2 - 1 8 ) 特别的，如果时跳码的周期为无穷大，则频谱密度函数可以表示为1 2 7 l s k ( ，) = 去l g ( ，) 1 2c ( ，) ( 2 1 9 ) 其中g ( ，) 是窄脉冲g ( t ) 的傅立叶变换。c ( o 表示不同的信号参数 m ，t c ，n s ， t f 对功率谱的影响。 c ( ，) = 1 + 厶。，t ( f ) f n ，丑( ，) ( 2 _ 2 0 ) 以( ，) = n 。，| ，0 ( ，) 一1 ( 2 2 1 ) 。，( r ) ： i si：n2(n：协xft)n s i ni ，f r 是整数( 2 2 2 ) ，( ，) = 2 2 协芦) ( 2 4 2 2 ) 1 1，t t 不是整数 从上式中可以看出，b p m t h 信号的功率密度谱是一个连续谱，而且不同 的信号参数对信号的功率密度谱有很大的影响。 图2 1 0b 雕一t h 信号的功率密度谱 2 1 浙：大学硕士学位论史 4 2 多址接入信号模型 假设一个系统中有n 。个用户同时在工作，则接收到的信号可以表示为【5 1 u r ( f ) = o ) + n ( f ) ( 2 2 3 ) t = l 其中，m u ) = s a t ) + h k ( t ) 表示第k 个用户的信号经过无线信道之后的接收 信号，瓦表示用户发射机与接收机之间的不同步，n ( t ) 是加性白高斯噪声 ( a w g n ) ，双边功率谱密度为n o t 2 。 4 3 接收机模受 不失一般性，假设要接收第一个用户的信号，则 虬 r ( f ) = w l ( t 一1 ) + m o 气) + n ( f ) ( 2 2 4 ) 假设接收机已经取得同步，包括时间同步和码字同步，即薯和c 对接收机 已知。假设信道h a t ) x , i 接收机未知。如果接收机采用r a k e 接收能j 7 3 - a ) ，其概率密度分布函数( p d f ) 分别为 p ( 耳i 五一1 ) = a e x p - a ( 耳一耳一1 ) 1 ，l 0 ( 3 2 ) p ( r k ，f | f ( 一1 ) ，j ) = 五e x p - 2 ( r k j l ( k - 1 ) , 1 ) ，k 0 ( 3 - 3 ) 多径分量的幅度。服从瑞利分布且相互独立，各多径的能量服从指数衰减 e 口玉 = f l o e 一”e 飞。7 7 ( 3 - 4 ) r ，分别表示簇和簇内多径的衰减系数，f ，。q 。是第一个到达的多径 分量的平均能量。相位是均匀分布于【o ，2 x ) 的独立随机变量。 为了更好地与u w b 环境下的测量结果相吻合，i e e e 8 0 2 1 5 3 a 模型对传统的 s - v 模型进行了一些修改。 ( a ) 多径分量的幅度坼，服从对数正态分布，而不是瑞利分布。 浙江大学硕士学位论文 2 0 l 0 9 1 0 ( 口“) 。cn o r m a l 恤，0 - 2 ) ，0 - 2 = 盯；+ 仃；，0 - ? ，盯；分别表示簇和簇内多彳j ； = 幅度的方差。 由能量衰减公式( 3 4 ) 可得出 玩，101n(f20)-10ttf-10rk1y幽丛坚(3-5) 心广面面一一i r 为了便于与其他模型相比较，整个多径延时分布的能量归一化为l ，即瓯为 能量归一化因子。 ( b ) 相位吼。等概率地取两个值( 0 或者饥) ，反映了由于反射所引起的相位反 转，使得该模型变为一个实数信道模型。假设随机变量p 等概率地取 一1 ，+ 1 ，则 诉f e 旭。kp c c 。令口“= p 吼，为各多径分量的幅度增益。 ( c ) u w b 室内传播的阴影效应建模为一。个乘性因予x ，服从对数正态分布， 即2 0 l 0 9 1 0 ( x ) 。cn o r m a l ( o , 0 - ；) 。 从式( 3 一1 ) 可以看出，理论上簇和簇内多径的个数都是无穷多的，但由于多径 能量的指数衰减，当能量小到一定程度后，完全可以忽略那些多径分量。因此， i e e e 8 0 2 1 5 3 a 模型中总的多径数目定为多径能量衰减到最大值的1 0 d b 时到达的 多径个数，假设簇的个数为l ，簇内多径的个数为k ，则多径总数n = k l 。 因此，i e e e 8 0 2 1 5 3 a 室内多径模型可表示为 o ) = x 吼8 ( t 一正一 ( 3 6 ) 图3 1c m 2 环境下连续时间信道实例 综上所述，i e e e 8 0 2 1 5 3 a 信道模型由( a ， r 托q ，盯：，0 x ) 7 个参数完全描 述，根据收发天线间距的不同以及是否存在视距( l o s ，l i n e o f - s i g h t ) ，该模型 浙江大学硕士学位论文 给出了四种典型u w b 应用环境( c m l - 4 ) 下